Aplicación del Análisis del Ciclo de Vida en el estudio ambiental de diferentes Procesos Avanzados de Oxidación

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(1)NILBIA RUIZ FERNÁNDEZ Tesis Doctoral. Aplicación del Análisis del Ciclo de Vida en el estudio ambiental de diferentes Procesos Avanzados de Oxidación. Doctorado en Ciencias Ambientales Institut de Ciència i Tecnologia Ambientals Universitat Autònoma de Barcelona. JULIO 2007.

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(3) APLICACIÓN DEL ANÁLISIS DEL CICLO DE VIDA EN EL ESTUDIO AMBIENTAL DE DIFERENTES PROCESOS AVANZADOS DE OXIDACIÓN. Memoria presentada por Nilbia Ruiz Fernández para optar al grado de Doctora en Ciencias Ambientales. Universitat Autònoma de Barcelona Bellaterra, Julio 2007.

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(5) DR. XAVIER DOMÈNECH Y ANTÚNEZ CATEDRÁTICO DE QUÍMICA FÍSICA UNIVERSITAT AUTÒNOMA DE BARCELONA y. DR. JOSÉ PERAL PÉREZ PROFESOR TITULAR DE QUÍMICA FÍSICA UNIVERSITAT AUTÒNOMA DE BARCELONA. CERTIFICAN:. Que Nilbia Ruiz Fernández, licenciada en Ingeniería Química, ha finalizado bajo nuestra dirección, en la Unidad de Química Física de la Universitat Autònoma de Barcelona, el trabajo que lleva por título Aplicación del Análisis del Ciclo de Vida en el estudio ambiental de diferentes procesos avanzados de oxidación, expuesto en la presente memoria que constituye su tesis, para optar al grado de Doctora en Ciencias Ambientales. Y para que conste a los efectos oportunos, presentamos a la Escola de Postgrau y al Institut de Ciència i Tecnologia Ambientals de la Universitat Autònoma de Barcelona el trabajo citado firmando el presente certificado.. Dr. Xavier Domènech y Antúnez. Dr. José Peral Pérez. Bellaterra, Barcelona, Julio 2007.

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(7) Tabla de Contenido Tabla de contenido................................................................................................................ i Agradecimientos ................................................................................................................... 1 Abreviaciones........................................................................................................................ 3 1. INTRODUCCIÓN GENERAL............................................................................................ 1.1 Objetivos..................................................................................................................... 1.2 Análisis del Ciclo de Vida (ACV)................................................................................. 1.2.1 Introducción........................................................................................................ 1.2.2 Metodología........................................................................................................ 1.2.2.1 Definición del objetivo y alcance............................................................ 1.2.2.2 Inventario................................................................................................ 1.2.2.3 Evaluación de impactos del ciclo de vida (EICV)................................... 1.2.2.4 Interpretación de resultados................................................................... 1.2.2.5 Puntos fuertes, débiles y limitaciones actuales en el uso del ACV........ 1.2.3 Bibliografía apartado 1.2.................................................................................... 1.3 Procesos Avanzados de Oxidación(PAOs) para el tratamiento de aguas residuales. 1.3.1 Introducción........................................................................................................ 1.3.2 Reacciones de Fenton y foto-Fenton................................................................. 1.3.3 Fotocatálisis Heterogénea (FCH)....................................................................... 1.3.4 Combinación de PAOs con tratamiento biológico.............................................. 1.3.5 Bibliografía apartado 1.3..................................................................................... 5 7 10 11 14 15 18 21 27 28 31 33 33 36 40 49 51. 2. MATERIALES Y MÉTODOS............................................................................................. 2.1 Reactivos..................................................................................................................... 2.2 Métodos analíticos...................................................................................................... 2.3 Caracterización de la fuente de irradiación................................................................. 2.4 Experimentos de FCH con TiO2.................................................................................. 2.4.1 Diseño del sistema fotocatalítico........................................................................ 2.4.2 Procedimiento experimental de los ensayos fotocatalíticos............................... 2.5 Experimentos foto-Fenton........................................................................................... 2.5.1 Procedimiento experimental de los ensayos de foto-Fenton............................. 2.6 Análisis del Ciclo de Vida. Metodología y herramientas utilizadas............................. 2.7 Método Orware............................................................................................................ 2.8 Bibliografía apartado 2................................................................................................. 57 59 60 62 63 63 65 66 66 67 70 72. 3. RESULTADOS Y DISCUSION.......................................................................................... 75 Parte 1: Análisis ambiental comparativo entre los procesos de Fotocatálisis Heterogénea y foto-Fenton............................................................................................................ 77. 3.1 Resultados experimentales......................................................................................... 77 3.1.1 Experimentos Fotocatálisis Heterogénea........................................................... 77 3.1.1.1 Estudios preliminares............................................................................. 77. i.

(8) 3.1.1.2 Dosis óptima de reactivos y pH.............................................................. 3.1.1.3 Degradación Fotocatalítica de AS.......................................................... 3.1.2 Experimentos foto-Fenton.................................................................................. 3.1.2.1 Estudios preliminares............................................................................. 3.1.2.2 Dosis óptima de reactivo y pH................................................................ 3.1.2.3 Fotodegradación de AS.......................................................................... 3.1.3 Análisis del Ciclo de Vida de los procesos foto-Fenton y Fotocatálisis Heterogénea.................................................................................. 3.1.3.1 Introducción............................................................................................ 3.1.3.2 Objetivo del ACV.................................................................................... 3.1.3.3 Alcance del sistema............................................................................... 3.1.3.4 Análisis de inventario............................................................................. 3.1.3.5 Evaluación de impactos del ciclo de vida............................................... 3.1.3.6 Análisis de sensibilidad.......................................................................... 3.1.3.7 Conclusiones y recomendaciones.......................................................... 3.1.4 Bibliografía apartado 3.1..................................................................................... 80 84 88 88 91 92 95 95 95 95 104 108 112 123 127. Parte 2. Análisis ambiental comparativo de los procesos foto-Fenton y foto-Fenton combinado con depuración biológica.................................................. 131 3.2 Análisis del Ciclo de Vida de los procesos foto-Fenton y foto-Fenton combinado con depuración biológica...................................................... 3.2.1 Introducción....................................................................................................... 3.2.2 Sistema experimental........................................................................................ 3.2.3 Alcance del sistema.......................................................................................... 3.2.4 Análisis de inventario........................................................................................ 3.2.5 Evaluación de impactos del ciclo de vida.......................................................... 3.2.6 Conclusiones y Recomendaciones................................................................... 3.2.7 Bibliografía apartado 3.2.................................................................................... 131 131 132 136 146 151 155 158. 4. CONCLUSIONES FINALES.............................................................................................. 161 4.1 Conclusiones Generales............................................................................................. 163 4.2 Conclusiones Específicas........................................................................................... 164 5. ANEXOS........................................................................................................................... ANEXO I. Categorías de impacto.................................................................................... ANEXO II. Caracterización de los procesos foto-Fenton y FCH...................................... ANEXO III. Reactivos químicos incluidos en la fase de inventario del apartado 3.2........ ANEXO IV. Caracterización de los procesos foto-Fenton y foto-Fenton combinado con depuración Biológica................................................................................ ii. 167 169 173 178 179.

(9) Agradecimientos La presente tesis doctoral no hubiera podido ser realizada sin la ayuda de muchas personas, a todas ellas quiero expresarles la fortuna que he tenido de trabajar y compartir con vosotros, estoy muy agradecida por la ayuda, aprecio, amistad y solidaridad recibida. En primer lugar quiero agradecer al Dr. Xavier Domenèch y al Dr. José Peral, quienes aceptaron ser mis directores de tesis y de quienes he recibido amistad, confianza, conocimientos y toda su ayuda para llevar a feliz término esta tesis doctoral. Deseo agradecer especialmente al Dr. Xavier Domenèch por haberme aceptado en su grupo de investigación para iniciar este trabajo, por apoyarme con su invalorable experiencia académica y su gran calidad humana, imprescindible para un buen desarrollo profesional. También merece una mención especial el ahora Dr. Iván Muñoz al cual he de agradecer todo el tiempo que me dedicó transmitiéndome sus conocimientos, aportando ideas, supervisando mi trabajo y siempre dispuesto a aconsejarme sobre cualquier cuestión, gracias Iván. También debo agradecer a todos los compañeros de la Unidad de Química Física, a mis compañeros de despacho y en especial a los chicos del grupo de investigación en Fotocatálisis y Química Verde al cual pertenezco, sobre todo a Julia García, María José Farré y David Gutiérrez, los cuales me han apoyado en todo momento con las dudas que han surgido durante el desarrollo de mi trabajo, sin su ayuda no hubiera sido lo mismo. En otras de mis andanzas en la búsqueda del conocimiento y de la experiencia requerida para asumir en el futuro con buena base la responsabilidad de seguir en el mundo de la investigación, tuve la oportunidad de compartir con el grupo del Dr. Javier Lafuente, en el Departamento de Ingeniería Química de la UAB, donde pase dos años compartiendo conocimientos tanto con el grupo de depuradoras así como con el grupo de gases del cual forme parte siendo su primera investigadora. Agradecer tanto a Javier Lafuente como a David Gabriel Buguña, su aportación académica para el buen desarrollo de mi trabajo de investigación. En esta etapa tuve dos buenos compañeros y amigos, gracias Neri y Sergio por toda la ayuda y la amistad que recibí de vuestra parte.. 1.

(10) Antes de finalizar todo este periplo, también tuve la oportunidad de compartir y aprender de los amigos y compañeros del ICTA, el cuál es mi centro logístico y al cuál pertenece mi doctorado. Para todos ellos mi agradecimiento, especialmente a Roxana, Iván y Marta, los cuáles me apoyaron incondicionalmente. También al personal de este instituto, a los chicos de informática, administración y a todos los profesores, gracias, muy especialmente a loli, Dr. Marti Boada, Dr. Martínez Alier y al Dr. Joan Rieradevall por sus consejos y apoyo durante todos estos años. Agradezco tanto al Departamento de Ingeniería Química así como a la Unidad de Química Física de la Universitat Autònoma de Barcelona su apoyo, durante distintos períodos, con una plaza de profesor asociado, ya que ambos contratos me permitieron y facilitaron seguir adelante con mis objetivos. Además agradezco al Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Sonora por su apoyo y colaboración para el buen desarrollo de mis estudios doctorales, sin ellos no hubiera sido posible. Finalmente, hay gente que no ha estado en los laboratorios, pero si que han estado en mis días, mis recuerdos y en mi vida diaria. Me refiero a toda mi familia, en especial a mis padres y hermano, quienes seguro habrían querido contribuir más. Hay siempre sin embargo, alguien que se destaca, que da ese extra, que se entrega más, y en este caso ha sido Santiago, a quien le agradezco infinitamente su amor, su compañía, su amistad y su solidaridad. Gracias por ser como eres. No puedo dejar de agradecer a mis amigos que fueron fundamentales para mi estancia en esta hermosa ciudad, Sole, Jorge, Jens, Inna, Leslie, Aldo, Jordi, Adriano, Mari, Bety, Martha, Ania, Cecilia, Sabine, Quino, Sergio, Nery, Aline, Irene, Roxana, Adriana, Eva, para ustedes también mi agradecimiento. Quiero además agradecer a todos esos amigos que a pesar de la distancia, siempre han estado conmigo. A Selene, Luis Alonso, Claudia, Nacho, Vanessa, Thelma, Xóchitl, Olga, y tantos otros, que no tendría espacio para nombrarlos. Finalmente, mi más sentido agradecimiento al país que me vio nacer, México y de él, a ese pequeño pueblo, llamado Bácum, donde crecieron mis sueños, hoy, uno más se hace realidad. A todos, mil gracias.. 2.

(11) Abreviaciones ACV. Análisis del Ciclo de Vida. ADP. Potencial de Calentamiento global. AENOR. Asociación Española de Normalización y Certificación. AP. Potencial de Acidificación. AS. Acido Salicílico. BC. Banda de Conducción. BV. Banda de Valencia. CE. Comunidad Europea. CFCs. Compuestos FluroCarbonados. CI. Carbono Inorgánico. CO. Monóxido de Carbono. COT. Carbono Orgánico Total. COVs. Compuestos Orgánicos Volátiles. CML. Centre for Environmental Studies. CT. Carbono Total. DBO. Demanda Bioquímica de Oxígeno. DCB. Diclorobenceno. DQO. Demanda Química de Oxígeno. EEA. European Environment Agency. EICV. Evaluación de Impacto del Ciclo de Vida. EP. Potencial de Eutrofización. EU. European Union. FATP. Potencial de Toxicidad Acuática. FCH. Fotocatálisis Heterogénea. FF. Foto-Fenton. GWP. Potencial de Calentamiento Global. IACV. Inventario de Análisis de Ciclo de Vida. ICV. Inventario de Ciclo de Vida. IPCC. Panel Intergubernamental de Cambio Climático. ISO. International Organization for Standardization. 3.

(12) MAEP. Potencial de Ecotoxicidad Marina. NDIR. Detector infrarrojo no dispersivo. ODP. Potencial de Agotamiento del Ozono estratosférico. OMM. Organización Mundial Metereológica. ORWARE. ORganic WAste REsearch. PAO. Proceso Avanzado de Oxidación. PAOs. Procesos Avanzados de Oxidación. PCBs. Bifenilos Policlorados. PETEQUS. Plataforma Tecnológica Española de Química Sostenible. POP. Potencial de Oxidación Fotoquímica. PSCs. Nubes Estratosfericas Polares. PTH. Potencial de Toxicidad Humana. REACH. Registration, Evaluation and Authorisation of Chemicals. RSD. Reactor Secuencial Discontinuo. SETAC. Society of Environmental Toxicology and Chemistry. TAOs. Tecnologías Avanzadas de Oxidación. TEAM. Tools for Environmental Analysis and Management. TEP. Potencial de Ecotoxicidad Terrestre. TRH. Tiempo de Retención Hidráulico. UAB. Universitat Autònoma de Barcelona. UCTE. Union for the Coordination of Transmission of Electricity. USEPA. United States Environmental Protection Agency. UV ó UVA. Ultravioleta. Vis. Visible. 4.

(13) 1. INTRODUCCIÓN GENERAL.

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(15) 1.1 Objetivos Uno de los objetivos actuales de la Química es la introducción de mejoras ambientales en los procesos y productos que se desarrollan. A comienzos de la década de los años 90 del siglo pasado apareció, entre los químicos, el concepto de Química Verde. Esta rama de la química, tiene como objetivo “el diseño apropiado de productos y procesos químicos que reduzcan o eliminen el uso y la generación de sustancias peligrosas (Anastas & Warner 1998)”. La Química verde, se basa en 12 principios que sintetizan la buena práctica para llevar a cabo transformaciones químicas con bajo impacto ambiental. Estos principios son los siguientes: 1. Prevención: Es mejor prevenir la generación de residuos que su tratamiento una vez producidos. 2. Economía de átomos: Diseñar métodos sintéticos para lograr la máxima incorporación en el producto final de los materiales utilizados en el proceso. 3. Síntesis químicas menos peligrosas: Diseñar las tecnologías sintéticas de manera que se usen y generen sustancias de poca o ninguna, toxicidad para la salud humana y el medio ambiente. 4. Diseñar productos químicos más seguros: Diseñar los productos químicos de manera que conserven la eficacia de su función, pero reduciendo al máximo su toxicidad. 5. Solventes y auxiliares más seguros: Evitar el uso de sustancias auxiliares (disolventes, agentes de separación, etc.). Cuando éstas sean necesarias, que sean inocuas. 6. Eficiencia energética: Minimizar los recursos energéticos, evaluándolos por sus impactos ambientales. Realizar los métodos de síntesis a temperatura y presión ambiente. 7. Utilizar materias primas renovables: Utilizar materias primas renovables siempre que sea posible. 8. Reducir los derivados: Evitar el uso de grupos protectores o la modificación temporal de grupos funcionales para convertirlos en buenos grupos salientes, en reacciones de síntesis orgánica. 9. Catálisis: Siempre que sea factible, se emplearán catalizadores en vez de reactivos estequiométricos.. 7.

(16) 10. Diseño para la degradación: Diseñar los productos químicos de manera que al final de su uso no persistan en el medio ambiente y se descompongan dando lugar a productos de degradación inocuos. 11. Análisis para prevención de la contaminación en tiempo real: Desarrollar las metodologías analíticas de manera que permitan su monitorización en tiempo real, para poder controlar la formación de substancias nocivas. 12. Química intrínsecamente más segura para la prevención de accidentes: Escoger las substancias utilizadas en un proceso químico de manera que se minimice el riesgo de accidentes químicos, incluyendo fugas, explosiones e incendios. Así pues, el químico dispone de diferentes posibilidades que puede aplicar para mejorar ambientalmente un proceso químico. Sin embargo, no siempre todas las opciones disponibles de mejora para una reacción concreta son aplicables simultáneamente, ya sea porque son alternativas destinadas a un mismo aspecto del proceso, o bien porque la aplicación de una mejora imposibilita la aplicación de otra. Se debe, pues, disponer de una metodología lo más objetiva posible que permita evaluar las mejoras ambientales introducidas al aplicar algunas de las posibilidades que ofrece la Química Verde, o que facilite la opción de alguna de las alternativas que se planteen cuando esto no sea posible. Una aproximación a la evaluación ambiental que intente ser objetiva ha de pasar por considerar todas las etapas del ciclo de vida del proceso químico y, además, ha de tener en cuenta todos los impactos ambientales que se generen. La consideración de ambos aspectos no es fácil y requiere aplicar un procedimiento metodológico riguroso. En este sentido, el Análisis del Ciclo de Vida (ACV) ofrece una metodología suficientemente objetiva y rigurosa que hace de ella una herramienta de evaluación ambiental adecuada para aplicar en Química Verde. Dentro de este marco, el Objetivo General de la presente tesis doctoral es investigar la aplicabilidad del ACV en la evaluación ambiental de procesos químicos en el ámbito de la Química Verde. En concreto se aplica la herramienta a diferentes Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs), para el Tratamiento de Aguas Residuales, con el fin de comparar desde el punto de vista ambiental distintos procesos químicos relacionados y determinar las etapas más impactantes, para poder diseñar propuestas que mejoren ambientalmente el proceso global.. 8.

(17) De lo anterior se derivan los siguientes Objetivos Específicos: 1. Obtención de las condiciones experimentales óptimas de aplicación de procesos fotocatalíticos de oxidación avanzada, para el tratamiento de aguas contaminadas. 2. Aplicación del Análisis del Ciclo de Vida como instrumento cuantitativo para la evaluación ambiental en el caso de procesos fotocatalíticos. 3. Evaluación del beneficio ambiental del acoplamiento de un proceso fotocatalítico con una etapa biológica en el tratamiento de aguas contaminadas.. 9.

(18) 1.2 Análisis del Ciclo de Vida (ACV) En este apartado se presenta el Análisis del Ciclo de Vida (ACV), que es la herramienta metodológica de análisis ambiental utilizada en está tesis. El principal objetivo de este capítulo es dar una descripción de la metodología propia del ACV, para ayudar a la comprensión de todos los aspectos y potencialidades de esta herramienta de evaluación ambiental. De acuerdo con la normativa ISO 14040 (ISO. 1997), un proyecto de ACV puede dividirse en cuatro fases: objetivos y alcance del estudio, inventario, análisis del impacto e interpretación. Se analiza cada una de estas fases detallándose las categorías de impacto e indicadores que se utilizan y las limitaciones que conlleva la utilización de esta metodología.. 10.

(19) 1.2.1 Introducción El creciente reconocimiento de la importancia de la protección ambiental y los posibles impactos asociados con los productos fabricados y consumidos, ha aumentado el interés en el desarrollo de métodos para evaluar los impactos e intentar reducirlos. Una de las técnicas que se está desarrollando para este propósito es el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), el cual estudia los aspectos medioambientales y los impactos potenciales a lo largo del ciclo de vida de un producto o proceso. Esta metodología tiene sus orígenes en la década de los sesentas, cuando fue evidente que el único modo eficaz de analizar los consumos energéticos en los sistemas industriales desde el punto de vista ambiental, era el de examinar todas las etapas del proceso, desde la extracción de la materia prima, su transformación y uso, terminando con el retorno a la ecosfera de los residuos originados (Miettinen & Hamalainen 1997). Los estudios iniciales fueron simples y generalmente restringidos al cálculo de las necesidades energéticas y de la reducción de los residuos sólidos. Durante la crisis del petróleo a principios de los años 70, se extendieron los estudios sobre energía, los cuales se basaban en los Inventarios de Ciclo Vida (ICV), es decir, de la recogida y elaboración de inventarios de cargas ambientales a lo largo del ciclo de vida. Dichos estudios fueron realizados para una variedad de sistemas industriales (Fava & Page 1992). Hacia el final de los años 80, se realizaron numerosos estudios sobre ACV, principalmente por parte de compañías privadas en Suecia, Suiza y los EE.UU. (Huppes 1996; Udo de Haes 1993). Sin embargo, estos estudios fueron realizados usando diversos métodos y sin un marco teórico común. A partir de la década de los 90´ el ACV sufrió un fuerte desarrollo y se puso en práctica rápidamente.. 11.

(20) Entre las más valiosas contribuciones al desarrollo metodológico del ACV, se puede mencionar: El código de prácticas para ACV publicado por la SETAC (Society of Environmental. . Toxicology and Chemistry) en 1993. . La Guía Nórdica para ACV publicada por el Nordic Council of Ministers, en 1995.. . El proceso de estandarización del procedimiento y el método de ACV elaborado por ISO (International Organization for Standardization) cuyas normas se empezaron a publicar en el año 1997 (ver Tabla 1.1).. Tabla 1.1 Serie ISO 14040 sobre ACV. ISO 14.040 Gestión Medioambiental – Análisis del Ciclo de Vida – Principios y Estructura (ISO 1997). . ISO 14.041 Gestión Medioambiental – Análisis del Ciclo de Vida – Definición del objetivo y el análisis del Inventario (ISO 1998).. . ISO 14.042 Gestión Medioambiental – Análisis del Ciclo de Vida – Evaluación de Impacto del Ciclo de Vida (ISO 1999).. . ISO 14.043 Gestión Medioambiental – Análisis del Ciclo de Vida – Interpretación del Ciclo de Vida (ISO 2000).. . ISO/TR 14047 Gestión Medioambiental – Análisis del Ciclo de Vida – Ejemplos de aplicación de la norma ISO 14042 (ISO 2003).. . ISO/TR 14049 Gestión Medioambiental – Análisis del Ciclo de Vida – Ejemplos de aplicación de la norma ISO 14041 (ISO 2000). Fuente: AENOR, 2001. De acuerdo con la norma estándar ISO 14040, el ACV es (ISO 1997): “Una técnica para evaluar los aspectos medioambientales y los potenciales impactos asociados con un producto, mediante: . La recopilación de un inventario de las entradas y salidas relevantes de un sistema;. . La evaluación de los potenciales impactos medioambientales asociados con esas entradas y salidas;. 12.

(21) . La interpretación de los resultados de las fases de análisis de inventario y evaluación de impacto de acuerdo con los objetivos del estudio.. El ACV estudia los aspectos medioambientales y los impactos potenciales a lo largo de la vida del producto, (es decir, de la cuna a la tumba), desde la adquisición de las materias primas hasta la producción, uso y eliminación”. Cualquier producto, servicio o actividad tiene un impacto sobre el medio ambiente. La idea del ACV es inventariar y evaluar dichos impactos, lo cual da como resultado un informe que es utilizado para tomar decisiones. En un ACV completo se atribuyen a los productos o procesos todos los efectos ambientales derivados del consumo de materias primas y de energía necesaria para su manufactura, las emisiones y residuos generados en el proceso de producción, así como los efectos ambientales procedentes del fin de vida del producto, cuando este se consume o se deja de utilizar. Por lo tanto, el ACV puede ayudar en: . la identificación de oportunidades de mejora de los aspectos ambientales de los productos en las distintas etapas ambientales de su ciclo de vida;. . la toma de decisiones ambientales en la industria, las organizaciones gubernamentales o no gubernamentales;. . la selección de indicadores de comportamiento ambiental relevantes, incluyendo técnicas de medición; y. . el marketing.. El ACV es una de las varias técnicas de gestión medioambiental y puede no ser siempre la técnica más apropiada a usar en todas las situaciones. Normalmente los ACV no incluyen los aspectos económicos y sociales relacionados con el producto o proceso. El ACV no reemplaza el proceso de toma de decisiones, sino que aporta elementos para facilitarlo.. 13.

(22) 1.2.2 Metodología La norma ISO 14040 determina cuatro fases o etapas básicas para los estudios de ACV: definición del objetivo y alcance, análisis de inventario, evaluación de impacto y la interpretación de resultados, como se ilustra en la Figura 1.1, y descritas brevemente en esta sección.. Estructura de ACV Definición del objetivo y el alcance. I n t e r p r e t a c i ó n. Análisis del Inventario. Evaluación de Impacto. Aplicaciones directas: Desarrollo y mejora del producto. Planificación estratégica Política pública Marketing Otros. Figura 1.1 Fases de un Análisis de Ciclo de Vida Fuente: ISO.1997 La técnica principal utilizada en ACV es la creación de modelos. En la fase introductoria, se elabora un modelo del complejo sistema técnico utilizado para producir, transportar, usar y eliminar un producto. Eso da como resultado un diagrama de flujo o un árbol de procesos con todos los procesos relevantes. Para cada proceso, se recopilan todas las entradas y salidas relevantes. En general, el resultado consiste en una lista muy larga de entradas y salidas, la cual en muchos casos es difícil de interpretar. A continuación se describen cada una de estas etapas.. 14.

(23) 1.2.2.1 Definición del objetivo y alcance. Es la primera fase del estudio y probablemente la más importante, puesto que en ella se establecen los cimientos sobre los cuáles se construirá el resto del ACV y consta de, entre otros: la definición del propósito del estudio, la definición del ámbito del estudio, el establecimiento de una unidad funcional y el establecimiento de un procedimiento para garantizar la calidad de los datos. Cabe remarcar que, si durante el estudio aparece información que así lo aconseje, estos elementos se pueden redefinir o reconsiderar (Fullana & Rieradevall 1997). La fase de definición del objetivo y del alcance resulta importante puesto que con ella se concreta el motivo por el que se lleva a cabo el ACV y se describe el sistema objeto del estudio, así como las categorías de datos sometidas a estudio. El objetivo, alcance y utilización prevista del estudio afectará la orientación y el grado de detalle aplicable al estudio en sí, abordando asuntos tales como el alcance geográfico y la delimitación en el tiempo del estudio, así como el nivel de calidad que se precisa para los datos.. El objetivo y el alcance de un estudio de ACV deben quedar definidos de forma clara y consistente con su aplicación prevista.. Objetivo del estudio. La realización de un estudio de ACV se puede hacer por diferentes motivos o con diferentes objetivos. Puede haber por ejemplo un ACV que tenga el objetivo de comparar ambientalmente dos productos, procesos o servicios, etc. Sin embargo, hay otros estudios que tienen como objetivo determinar las etapas del ciclo de vida que contribuye más a determinados impactos con tal de poder proponer mejoras ambientales. Dentro del objetivo de estudio, se debe considerar si los resultados del ACV se utilizarán de manera únicamente interna, o también externa (por ejemplo, para informar la opinión pública o a la Administración).. 15.

(24) Además se define el sistema, sus límites (conceptuales, geográfico y temporales) y los parámetros que lo caracterizan (materias primas consumidas, consumo energético, productos, subproductos, residuos y emisiones). Asimismo, se deben establecer los requisitos de los datos que se utilizarán, las hipótesis clave y las limitaciones del estudio (Puig et al. 2000).. Algunos estudios de ACV tienen más de un propósito. Los resultados pueden ser utilizados internamente al igual que externamente. En este caso, las consecuencias de este doble uso deberían ser explicadas claramente. Por ejemplo, podría ser que se estén usando diferentes métodos de determinación de impactos para las versiones internas o externas del estudio. Siendo concluyentes, el objetivo del estudio de ACV deberá especificar sin ambigüedades la aplicación prevista para el estudio, los motivos por los que se lleva a cabo y el público al que va dirigido, es decir, quiénes son los destinatarios previstos de los resultados del estudio (ISO 1998).. Unidad funcional. Al definir el alcance de un estudio de ACV, debe manifestarse de forma clara las funciones del producto. En la unidad funcional se define la cuantificación de estas funciones identificadas. La unidad funcional debe ser consecuente con el objetivo y el alcance del estudio. Uno de los principales fines de la unidad funcional es disponer de una referencia para la normalización de los datos de entrada y salida. Por consiguiente, la unidad funcional debe quedar definida de forma clara y ser mesurable (ISO 1998). Ello es necesario para asegurar la comparabilidad de los resultados del ACV. La comparabilidad de los resultados del ACV es especialmente crítica cuando se analizan distintos sistemas para asegurar que tales comparaciones se hagan sobre una base común. La unidad funcional puede ser de tipo físico (Ejemplo: una nevera, un coche, una puerta, un envase, etc.) ó bien de tipo funcional (Ejemplo: 1 m2 de una superficie, 1 m3 de agua, etc.). Normalmente cuando se quiere realizar un tipo de comparación, es necesario tomar una unidad de tipo funcional, es decir, que vaya dirigida a la función que desarrollan los productos, procesos o servicios a comparar; para poder compararlos de acuerdo a la unidad funcional.. 16.

(25) Límites del sistema. Se entiende por límites del sistema a la definición clara de que es lo que se incluye dentro del sistema estudiado y que es lo que se queda fuera. Los límites del sistema determinan qué procesos unitarios deberán incluirse dentro del ACV. Varios factores determinan los límites del sistema, como la aplicación prevista del estudio, las hipótesis planteadas, los criterios de exclusión, los datos y limitaciones económicas y el destinatario previsto. La selección de las entradas y salidas, el nivel de agregación dentro de una categoría de datos y la modelización del sistema deberán ser consistentes con el objetivo del estudio. Los criterios usados para establecer los límites del sistema deberán identificarse y justificarse en la fase de alcance del estudio. Los estudios de ACV utilizados para hacer asertos comparativos que se hagan públicos realizarán un análisis de flujos de materia y energía para determinar su inclusión en el alcance del estudio (ISO 1997). Los límites del sistema delimitan los procesos unitarios incluidos en el sistema objeto de la configuración. De forma idónea, sería conveniente que la configuración del sistema se llevase a cabo de tal forma que los flujos que atraviesan sus límites constituyan flujos elementales. Sin embargo, en muchos casos no se dispone del tiempo suficiente, datos o recursos como para llevar a cabo un estudio exhaustivo. Deben detallarse los procesos unitarios que formarán parte de la configuración del estudio y que fijarán el grado de detalle con el que éstos se estudiarán. No es necesario invertir recursos en la cuantificación de aquellas entradas y salidas que no modifiquen de forma sustancial a los resultados globales del estudio. También deben tomarse decisiones sobre las emisiones al medio ambiente que serán objeto de evaluación y el grado de detalle de dicha evaluación (ISO 1998).. Requisitos de calidad de los datos. La calidad de los datos debe ser descrita en la fase de alcance del estudio y comprobada en la fase de interpretación. Para ello, propone la utilización de indicadores de calidad que garanticen la fiabilidad de los datos utilizados y en consecuencia, de las decisiones basadas en ellos.. 17.

(26) Los requisitos de calidad de los datos especifican en términos generales, las características de los datos necesarios para el estudio. Estos requisitos deben definirse de modo que permitan lograr los objetivos y el alcance del estudio. Según las normas ISO, se debería especificar (ISO 1997, ISO1998): . la cobertura temporal;. . la cobertura geográfica;. . la cobertura tecnológica;. . la precisión, amplitud y representatividad de los datos;. . la consistencia y reproducibilidad de los métodos usados en el ACV;. . las fuentes de datos y su representatividad;. . la incertidumbre de la información.. 1.2.2.2 Inventario. La fase de inventario es básicamente un proceso técnico de recogida de datos para cuantificar las entradas y salidas (es decir, la energía y materias consumidas, las emisiones al aire, agua y suelo, y los coproductos resultantes durante el ciclo de vida completo de un producto, proceso o actividad) del sistema estudiado y de acuerdo con la unidad funcional definida en la fase anterior. Para facilitar y clarificar el estudio, se divide el sistema en diversos subsistemas y etapas (Figura 1.2), y los datos que se obtienen quedan agrupados en diversas categorías dentro de una tabla de inventario.. 18.

(27) Etapas del Ciclo de Vida Entradas. Salidas Adquisición de materias primas. Materias Primas. Energía. Emisiones Atmosféricas. Producción. Aguas Residuales. Uso / Reuso / Mantenimiento. Residuos sólidos Coproductos. Reciclado Gestión del residuo. Otros vertidos. Figura 1.2 Etapas del Ciclo de Vida Fuente: Puig et al. 2000. La fase de inventario, es la más larga y se ha de realizar con más cuidado para evitar incorporar errores que después puedan afectar los resultados finales. Para realizar el inventario normalmente se seleccionan datos genéricos (de una base de datos) para las etapas secundarias y datos de campo (las ha de obtener y/o calcular el propio analista) para las etapas principales. En este sentido, la disponibilidad de bases de datos generales como fuentes de datos para las etapas de segundo orden de un ACV (energía, transportes, gestión de residuos...), es de suma importancia para llevar a cabo el estudio. Para realizar un inventario de ACV se puede utilizar una hoja de cálculo, que permita también después a partir de estos datos hacer la evaluación de impactos, o bien utilizar un programa específico, como ejemplos de software presentes en el mercado se pueden citar Gabi (IKP), LCAiT (Chalmers), SimaPro(1) (Pré Consultants) uno de los más extendidos por su facilidad en el manejo, Ecopro(2), LCA Inventory Tool(3), TEAM (ecobilan group), Humberto (IFEU). La tabla 1.2 presenta algunas de las herramientas existentes en el mercado actualmente.. 19.

(28) Tabla 1.2 Principales herramientas utilizadas en la elaboración de ACV Software Compañía País Observaciones Más información Gabi Sttugart Alemania Este programa ofrece University un análisis www.gabi-software.com económico. Compara y analiza complejos productos Simapro PréHolanda descomponiéndolos www.pre.nl consultants en todos sus materiales y procesos. Boustead Bousted Reino Aplicación industria www.boustedConsulting Unido química, plásticos, consulting.co.uk acero, etc. Balance de energía y LCAit Chalmers Suecia materiales. Aplicación www.ekologik.cit. Industritenik principal en el sector chalmers.se envases y productos de papel. Euklid Frauenhofer Alemania Productos industriales www.ivv.fgh.de -Institut Finish Pulp KCL ECO and Paper Filandia Industria papelera www.kcl/fi/eco/ Research Institute PricewaterAnálisis del impacto WISARD house Francia económico y www.pwcglobal.com Coopers ambiental de residuos sólidos municipales. Umberto Ifeu-Institut Alemania Preparación de ACV, www.ifeu.de/umberto.htm ecobalances. Incluye más de 500 TEAM Ecobilan Francia módulos de diferentes www.pwcglobal.com sectores. 20.

(29) 1.2.2.3 Evaluación de impacto del ciclo de vida (EICV). La Evaluación de Impacto del Ciclo de Vida (EICV), es la tercera fase del ACV descrito en la Norma ISO 14040. El propósito de la EICV es evaluar los resultados del análisis de inventario del ciclo de vida (ICV) del sistema de un producto (ISO. 2003) para comprender mejor su significado ambiental. La fase de la EICV modeliza las variables ambientales seleccionadas, denominadas categorías de impacto, y utiliza indicadores de categoría para condensar y explicar los resultados del ICV. Los indicadores de categoría tienen como función reflejar las emisiones agregadas o recursos usados para cada categoría de impacto. Estos indicadores de categoría representan los “impactos ambientales potenciales” descritos en la Norma ISO 14040. Además, la EICV facilita la fase de interpretación del ciclo de vida. La EICV incluye varios pasos según la norma ISO 14.042: Elementos obligatorios Selección de categorías de impacto, indicadores y modelos Asignación de los resultados del inventario (Clasificación) Cálculo de los indicadores y categorías (Caracterización) Resultados de los indicadores (perfil ambiental) Elementos opcionales Cálculo de la magnitud de los indicadores en relación a valores de referencia (Normalización) Agrupación Valoración Análisis de calidad de los datos* *Obligatorio en estudios comparativos. La EICV como parte de un ACV global puede, por ejemplo, usarse para (ISO 1999): . identificar las oportunidades de mejora en el sistema de productos y ayudar en su jerarquización;. . caracterizar o comparar un sistema de producto y sus procesos unitarios en el tiempo;. 21.

(30) . realizar comparaciones relativas entre sistemas de producto basadas en los indicadores de categoría seleccionados;. . indicar las variables ambientales para las que otras técnicas puedan aportar datos ambientales complementarios e información útil para los responsables de la toma de decisiones.. La EICV es un proceso que pretende identificar y caracterizar los efectos sobre el medio ambiente del objeto en estudio, utilizando los resultados obtenidos durante la fase de inventario y convertir la información obtenida en una información interpretable. El objeto en esta fase es transformar los centenares de valores de cargas ambientales (emisiones, recursos consumidos, etc.) obtenidos en el inventario, en un número reducido de impactos ambientales. En general, ese proceso implica la asociación de datos del inventario con impactos ambientales específicos, y la valoración de dichos impactos. El nivel de detalle, la elección de impactos evaluados y las metodologías usadas dependen del objetivo y alcance del estudio (ISO, 1997). Ésta es una fase complicada, que aún se encuentra en proceso de perfeccionamiento, y se desarrolla normalmente en cuatro pasos (Puig et al. 2000): 1. Clasificación: Los datos procedentes del análisis de inventario son agrupados en diversas categorías en base al impacto sobre el medio al cual pueden contribuir (por ejemplo: agotamiento de recursos, nitrificación del suelo y de las aguas, efecto invernadero, erosión, etc.). 2. Caracterización: Se evalúa el efecto total del sistema del producto sobre cada una de las categorías de impacto ambiental (por ejemplo: ¿qué acidifica más, el SO2 o el NO2? y ¿cuánto más?). 3. Normalización: Los resultados de la caracterización se contrastan respecto a un valor de referencia, con tal de ver su relevancia. 4. Valoración: Se establece el valor relativo de cada categoría de impacto ambiental, con tal de poder priorizar las acciones que reducen los impactos ambientales más problemáticos en un momento y lugar determinados.. 22.

(31) Frecuentemente termina con un único valor o índice, resultado de realizar la suma ponderada entre las contribuciones a todos los impactos ambientales. Este elemento del ACV implica que se introducen valores subjetivos en la metodología, de manera que hay que vigilar mucho como se está realizando. De esta serie de elementos que conforman la EICV, tanto la normalización como la valoración son etapas opcionales que pueden ser utilizadas dependiendo del objetivo y alcance del estudio de ACV. La clasificación consiste en asignar las cargas ambientales a diferentes categorías de impactos. Este proceso se realiza teniendo en cuenta que una misma carga ambiental puede asignarse a más de una categoría de impacto, puesto que lo que se persigue es caracterizar los impactos potenciales (Figura 1.3).. CO2. Calentamiento global. CH4. Acidificación. SOx Toxicidad. NOx Tolueno. Oxidantes fotoquímicos. Metales. Figura 1.3 Clasificación de diferentes cargas ambientales Fuente: Muñoz 2006. En la clasificación, se agrupan las intervenciones ambientales (recursos consumidos, emisiones al ambiente) identificadas en el análisis de inventario en diversas categorías o indicadores del impacto, según los efectos ambientales que se espera produzcan. Por ejemplo, el CO2 y las emisiones de CH4 se clasifican en la categoría de calentamiento global, mientras que el SOx y las emisiones de NOx se clasifican en la categoría de acidificación (ver Figura 1.3).. 23.

(32) Este paso no suele requerir trabajo en la práctica, ya que la clasificación está implícita en los modelos de impacto incluidos en los programas informáticos para la realización de ACV. Algunas veces es necesario incluir en dichos modelos alguna sustancia que no está considerada por defecto. En la caracterización se cuantifica el efecto de las diferentes sustancias a un determinado impacto ambiental al cual contribuyen. Esto se lleva a cabo mediante modelos científicos. La caracterización es por tanto un proceso objetivo. Para cada categoría de impacto se obtiene una puntuación. El conjunto de puntuaciones se denomina el “perfil ambiental” del producto o del sistema. En la tabla 1.3 se detallan algunas de las categorías de impacto que se consideran habitualmente, con las unidades que se expresan y su alcance geográfico.. 24.

(33) Tabla 1.3 Clasificación de las diferentes categorías de impacto atendiendo al área de protección que corresponden, unidades equivalentes, escala geográfica y obligatoriedad de incluirlas según CML. Categoría de impacto Área de protección (1) Entradas Agotamiento recursos abióticos IV Energía IV Uso del suelo competitividad IV Pérdida soporte vida I, II, III Pérdida Biodiversidad II Salidas Cambio climático I, II, III Agotamiento ozono I, II, III, IV Acidificación I, II, III, IV. Eutrofización Formación Foto-oxidantes Toxicidad Humana. I, II, III. Unidades (2) kg Sb a-1 (+) MJ kg-1. kg CO2 kg CFC11 kg SO2 kg H+ (*) kg PO3-. I, II, III, IV. kg etileno. I. kg 124 DCB (3) kg Pb aire (*). Ecotoxicidad Terrestre. II, IV. kg 124 DCB (3) kg Zinc aire (*). Acuática marina. II, IV. kg 124 DCB (3) kg Zinc agua (*). Sedimento agua dulce. II, IV. kg 124 DCB (3). Sedimento marino. II, IV. kg 124 DCB (3). Escala geográfica Global Global Local Local Local Global Global Continental/ Regional/local/ Global Continental/ Regional/Local Continental/ Regional/Local Continental/ Regional/Local/ Global Continental/ Regional/Local/ Global Continental/ Regional/Local/ Global Continental/ Regional/Local Continental/ Regional/Local. Otros Desecación m3 Local Radiaciones Regional/Local Olor Local Ruido Local (1) Áreas de protección: I salud humana, II entorno natural, III entorno modificado por el hombre, IV recursos naturales. (2) Unidades propuestas por (Guinée et al. 2002) a excepción de (+) TEAM (1999) y (*) Audsley (1997) (3) DCB = Diclorobenceno Fuente: Guinée et al. 2002 y Audsley 1997.. 25.

(34) La normalización, se usa para simplificar la interpretación del resultado. Este paso es considerado opcional en ISO 14042, siendo un procedimiento que se requiere para demostrar hasta qué grado una categoría de impacto determinada contribuye de forma significativa al problema ambiental global. La normalización es pues, el cálculo de la magnitud de los resultados de los indicadores de categoría a una información de referencia. El objetivo de la normalización de los resultados de los indicadores es comprender mejor la magnitud relativa de cada resultado del indicador del sistema de productos o procesos en estudio. El cálculo de la magnitud de los resultados de los indicadores con relación a una información de referencia (a menudo denominado normalización) es un elemento opcional que puede resultar útil, por ejemplo, en: . la búsqueda de inconsistencias;. . el suministro y comunicación de información sobre la importancia relativa de los resultados de los indicadores, y. . la preparación de procedimientos adicionales tales como la agrupación, la ponderación o la interpretación de ciclo de vida.. Esta operación consiste en transformar un resultado del indicador dividiéndolo por un valor de referencia seleccionado. Algunos ejemplos de valores de referencia son: . las emisiones totales o los recursos utilizados en un área determinada, la cual puede ser global, regional, nacional o local;. . las emisiones totales o los recursos utilizados en un área determinada per cápita o una medida con una base similar y,. . un escenario de partida, tal como un sistema de productos alternativo dado.. La selección del sistema de referencia debería considerar la consistencia de las escalas espacial y temporal del mecanismo medioambiental y del valor de referencia.. 26.

(35) El factor de normalización modifica la salida de los elementos obligatorios de la fase de la EICV. Puede resultar aconsejable utilizar varios sistemas de referencia para mostrar las consecuencias sobre las salidas de los elementos obligatorios de la fase de la EICV. Un análisis de sensibilidad puede aportar información adicional acerca de la elección de referencia. El conjunto de los resultados del indicador normalizados representa un perfil de EICV normalizado (ISO 1999). Finalmente, en la valoración se realiza una evaluación cuantitativa de la importancia relativa de las distintas categorías de impacto. Esta evaluación se basa en criterios socioeconómicos y no científicos, con lo que se corre el riesgo de perder objetividad. Los factores de peso utilizados pueden basarse en valores monetarios de los daños producidos al medio, coste para la prevención, etc.. 1.2.2.4 Interpretación de resultados. Esta es la fase del ACV donde se combinan los resultados del análisis de inventario con la evaluación de impacto, o en el caso de estudios de análisis de inventario de ciclo de vida, los resultados del análisis de inventario solamente, de acuerdo con los objetivos y alcance definidos. Los resultados de esta interpretación pueden adquirir la forma de conclusiones y recomendaciones para la toma de decisiones, de forma consistente con el objetivo y alcance de estudio. La fase de interpretación puede abarcar el proceso iterativo de examen y revisión del alcance del ACV, así como la naturaleza y calidad de los datos recogidos de acuerdo con el objetivo definido. Las conclusiones de la fase de interpretación deberían reflejar los resultados de cualquier análisis de sensibilidad que se haya realizado. Aunque las acciones y decisiones subsecuentes pueden incorporar implicaciones medioambientales identificadas en los resultados de la interpretación, se mantienen fuera del alcance del estudio de ACV, en tanto que otros factores, como la realización técnica y los aspectos económicos y sociales también se consideran (ISO 1997).. 27.

(36) En esa fase del ACV y para ver la influencia de las suposiciones más importantes, se recomienda efectuar un análisis de sensibilidad con el fin de analizar los cambios en los resultados del ACV como consecuencia de variar datos sensibles de inventario, es decir, datos que afectan mucho en el resultado final, con lo que pequeñas variaciones dan lugar a cambios importantes en los resultados, o bien datos con mucha incertidumbre, y de esta manera se pueden obtener conclusiones más ajustadas. 1.2.2.5 Puntos fuertes y débiles y limitaciones actuales en el uso de ACV.. El Análisis del Ciclo de Vida (ACV) es una herramienta inclusiva. Todas las entradas y emisiones necesarias en muchas etapas y operaciones del ciclo de vida se consideran están dentro de los límites del sistema. Esto incluye no solamente las entradas y las emisiones para la producción, distribución, y disposición, si no que también incluye las entradas y las emisiones indirectas - por ejemplo de la producción inicial de la energía usada - sin importar cuando o donde ocurren. El ACV amplía la discusión sobre preocupaciones ambientales más allá de una sola etapa, y procura tratar una amplia gama de etapas ambientales, usando una metodología cuantitativa, proporcionando una base objetiva para la toma de decisiones. Según Guinée et al., (2002), la principal característica del ACV, es su naturaleza holística, además su fuerza principal es también su limitación principal, puesto que el amplio alcance de analizar el ciclo de vida entero de productos y de procesos se puede alcanzar solamente a expensas de simplificar otros aspectos. Desafortunadamente, el ACV no puede determinar los efectos ambientales reales del sistema. La normativa estándar ISO 14.042, que se ocupa de la evaluación del impacto del ciclo de vida (EICV), advierte especialmente que el ACV no predice impactos reales ni determina seguridad, riesgos, o si los umbrales están excedidos. Los efectos ambientales reales de emisiones dependerán de cuándo, dónde y cómo se vierten en el ambiente. Ninguna herramienta puede hacer todo, así que en ocasiones es necesario una combinación de herramientas complementarias para una evaluación ambiental total. Sin embargo el ACV es una de las herramientas más utilizadas para realizar estudios ambientales de diferente índole.. 28.

(37) A continuación se resume la característica principal del ACV, destacando sus puntos fuertes y sus debilidades. Característica principal: Considera todas las entradas (energía, recursos) y las salidas (emisiones, residuos) durante el ciclo de vida entero de un producto o de un proceso, expresándolos como consecuencias potenciales para el medio ambiente. Puntos fuertes: 1. Basado en el ciclo de vida entero de un producto o proceso 2. Cuantitativo 3. Detallado 4. Objetivo (Hasta la valoración) 5. Análisis de los impactos ambientales 6. Señala los aspectos relevantes 7. Buen conocimiento del sistema del producto 8. Normalizado y comparable 9. Transparente Puntos Débiles: 1. Fuerte inversión en tiempo y conocimientos 2. Complejo 3. Se necesita una gran cantidad de datos y su disponibilidad es una limitación. Actualmente hay bases de datos disponibles en varios países, pero en la práctica, los datos son con frecuencia obsoletos, incomparables, o de calidad desconocida. 4. Dificultad para evaluar impactos locales 5. Dificultad para evaluar diferencias temporales 6. Se basa mayoritariamente en modelos lineales 7. Implica hipótesis y valores subjetivos 8. Las consecuencias para el medio ambiente son solamente potenciales y no verdaderas. 29.

(38) 9. Los mecanismos de mercado u otros efectos secundarios sobre el desarrollo tecnológico no están incluidos 10. El ACV no incluye los aspectos económicos y sociales relacionados con el producto o proceso. Aunque actualmente el ACV es bastante utilizado por muchas empresas en la fase de desarrollo de sus productos, hay todavía algunas limitaciones que impiden un uso más extenso. Algunas de estas limitaciones son: . Aspectos metodológicos poco desarrollados: asignación de cargas, nuevas categorías de impacto ambientales. En determinados productos, estos impactos pueden ser determinantes, de manera que una metodología que no los considere es menos útil para evaluarlos.. . Falta de datos (el proceso de obtención de datos es caro, en el Estado Español todavía no existe una base de datos representativa de la tecnología actual). Sin estos datos, la aplicación del ACV es más cara, y los resultados pueden ser menos fiables.. . Poco consenso internacional en algunas fases (valoración, normalización).. . Desconocimiento del ACV por parte de profesionales del proceso productivo. En muchos países el ACV ya se incluye normalmente en las escuelas de diseño e ingeniería, pero en el Estado Español el desconocimiento es todavía grande.. 30.

(39) 1.2.3 Bibliografía (1). http://www.pre.nl. (2). http://www.empa.ch. (3). http://www.ekologik.cit.chalmers.se. AENOR. 2001. Asociación Española de Normalización y Certificación. Madrid, España. Audsley E. 1997. Harmonisation of Environmental Life Cycle Assessment. European Commission DG VI Agriculture. Final Report concerted action AIR3 –CT94-2028. BUWAL. 1998. Bewertung in Ökobilanzen mit der Methode der Ökologischen Knappheit Ökofactorenn 1997. Schriftenreine Umwelt. No.297. Bern, Switzerland. CML. 1992. Environmental Life Cycle Assessment of Products. Guide and Backgrounds. Leiden University, The Netherlands. Fava J.A. Page A. 1992. Application of product life cycle assessment to product stewardship and pollution prevention programs. Water Science and Technology 26 (1-2), 275-287. Fullana P. Rieradevall J. 1997. ‘ACV 2000’ Estado actual y perspectivas de futuro del análisisi del ciclo de vida en España. El ACV, una herramienta de evaluación y mejora ambiental de productos, procesos y servicios. Asociación española para la promoción del desarrollo del análisis del ciclo de vida. Barcelona. Guinée J.B. Gorrée M. Heijungs R. Huppes G. Koning A. Wegener A. Suh S. Udo de Haes H. Bruijn H. Duin R. Huijbregts M. 2002. Handbook on Life Cycle Assessment. Operational Guide to the ISO Standards. Dordrecht, The Netherlands. Kluwer. Huppes G. 1996. LCA yesterday, today and tomorrow. Centre of Environmental Science (CML). Leiden University, The Netherlands. ISO. 1997. ISO 14040: Environmental management – Life cycle assessment – Principles and Framework. Geneva, Switzerland. ISO. 1998. ISO 14041: Environmental management – Life cycle assessment – Goal and Scope Definition and Inventory Analysis. Geneva, Switzerland.. 31.

(40) ISO. 1999. ISO 14.042 Environmental management – Life cycle assessment – Life cycle impact interpretation. Geneva, Switzerland ISO. 2003. ISO TR 14047. Gestión medioambiental. Análisis del ciclo de vida. Ejemplos para la aplicación de ISO 14042. Miettinen P. Hamalainen R.P. 1997. How to benefit form decision analysis in environmental life cycle assessment (LCA). European Journal of Operational Research 102, 279-294. Muñoz I. 2006. Seminario Introducción al ACV. Institut de Ciencia i Tecnologia Ambientals, UAB. Bellaterra, Barcelona. Puig R y colaboradores. 2002. “Llibre didàctic de l’anàlisi de cicle de vida”. Dept. Medi Ambient. Publicació electrònica en pdf: http://www.gencat.net/mediamb/xarxaacv/acv.htm. Udo de Haes H.A. Jolliet O. Finnveden G. Hauschild M. Krewitt W. Muller-went R. 1999. Best available practice regarding impact categories and category indicators in life cycle impact assessment – background document for the second working group on life cycle impact assessment of SETAC-Europe (WIA 2). International Journal of Life Cycle Assessment 4 (2). TEAM. 1999. Tools for Environmental Analysis and Management. Ecobilan group.. 32.

(41) 1.3 Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs) para el Tratamiento de Aguas Residuales. En este apartado se describen los Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs), que fundamentan un grupo de tecnologías utilizadas para el tratamiento de aguas residuales. De entre ellos se abordan con más detalle los procesos de Fotocatálisis Heterogénea (UV + TiO2 y UV + TiO2 + H2O2), Reacciones de Fenton (Fe(II) + H2O2) y foto-Fenton (UV + Fe(II) + H2O2) y el acoplamiento de procesos fotocatalíticos a una etapa biológica en el tratamiento de aguas contaminadas, pues son los procesos que se comparan y evalúan ambientalmente en la segunda parte de este trabajo. Se describieron los aspectos fundamentales de cada proceso, características, ventajas y desventajas.. 1.3.1 Introducción Muchas de las aguas residuales incorporan agentes contaminantes que las hacen inadecuadas para los tratamientos biológicos convencionales, debido a su toxicidad, estabilidad química o dificultad de mineralización completa. Por consiguiente, surge la necesidad de desarrollar tecnologías efectivas para la destrucción de este tipo de contaminantes. Entre ellos destacan los Procesos Avanzados de Oxidación (PAOs) (Legrini et al. 1993), estos procesos, aunque utilizan diferentes sistemas de reacción, se caracterizan por la generación en condiciones suaves, de oxidantes químicos muy reactivos como los radicales hidroxilo (·OH), los cuales pueden degradar una amplia variedad de contaminantes orgánicos en el agua (Irmak et al. 2006, Bolton & Cater, 1994). El término PAO fue acuñado en el año 1987 (Glaze et al. 1991), engloba aquellos procesos químicos basados en la generación de radicales hidroxilo (· OH) altamente reactivos, debido a su elevado poder oxidante (ver tabla 1.4). Estos radicales no son selectivos y, por consiguiente, reaccionan con una variada gama de compuestos orgánicos solubles (Andreozzi et al. 1999).. 33.

(42) Tabla 1.4. Potencial de oxidación de algunos oxidantes en agua Substancia Potencial de oxidación (V(ENH) Flúor 3.03 Radical Hidroxilo 2.80 Oxígeno atómico 2.42 Ozono 2.07 Peróxido de Hidrógeno 1.77 Permanganato 1.67 Cloro 1.36 Oxígeno 1.23 Fuente: US.EPA 1998. Las limitaciones que presentan los tratamientos biológicos convencionales frente a compuestos de elevado peso molecular poco biodegradables, o ante la presencia de compuestos potencialmente tóxicos, no lo son para estas técnicas. La versatilidad de los PAOs se encuentra en el hecho de que ofrecen diferentes maneras de producir los radicales hidroxilo. Así, la generación de radicales hidroxilo se puede acelerar por la combinación de algunos agentes oxidantes como ozono (O3), peróxido de hidrógeno (H2O2), radiación UV, sales de hierro [Fe(II) y Fe(III)] y catalizadores como dióxido de titanio (TiO2). Los PAOs se pueden clasificar en procesos homogéneos y heterogéneos: . Procesos homogéneos: a) Sin irradiación: Ozonización en medio alcalino (O3/· OH) Ozonización con peróxido de hidrógeno (O3/H2O2) y (O3/H2O2/· OH) Peróxido de hidrógeno y catalizador [H2O2/Fe(II)] Electroquímica: Oxidación anódica y Electro-Fenton b) Con irradiación: b1) Energía procedente de radiación ultravioleta (UV) Ozonización y radiación ultravioleta (O3/UV). 34.

(43) Peróxido de hidrógeno y radiación ultravioleta (H2O2/UV) Ozono, peróxido de hidrógeno y radiación ultravioleta (O3/H2O2/UV) foto-Fenton [Fe(II)/H2O2/UV] b2) Energía procedente de ultrasonidos (US) Ozonización y ultrasonidos (O3/US) Peróxido de hidrógeno y ultrasonidos (H2O2/US) . Procesos heterogéneos: a) Sin irradiación: Ozonización catalítica (O3/Cat.) b) Con irradiación: Ozonización fotocatalítica (O3/TiO2/UV) Fotocatálisis heterogénea (H2O2/TiO2/UV). Entre los PAOs más ampliamente empleados se incluyen: oxidación fotocatalítica heterogénea con TiO2 (Yano et al. 2005, Vogna et al. 2004, Balcioglu et al. 2000. Sánchez et al. 1998), tratamiento con ozono (frecuentemente combinado con H2O2, UVA o ambos) (Balcioglu et al. 2000, Malato et al. 1998, Sánchez et al. 1998), sistema H2O2/UV (Yano et al. 2005, Vogna et al. 2004, Balcioglu et al. 2000) y reacciones tipo Fenton y foto-Fenton (Torrades et al. 2004, Pérez et al. 2002, Balcioglu et al. 2000).. 35.

(44) Incineración Oxidación húmeda. PAOs. 0. 10. 100. DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO, DQO (mg l-1). Figura 1.4. Adecuación de diferentes tecnologías de tratamiento de aguas en función de la carga contaminante. Fuente: Andreozzi et al. 1999. Una característica común de todos los PAOs es su eficiencia para tratar efluentes relativamente diluidos, con concentraciones menores de 10 g/L de DQO. Para mayores concentraciones, el elevado consumo de agente oxidante hace preferibles otras técnicas de oxidación directa tales como la oxidación húmeda ó la incineración (ver Figura 1.4). Una de las consideraciones más importantes al utilizar los PAOs como tratamiento de aguas contaminadas es que la utilización de éstos es costosa y, por consiguiente, es obvio que su aplicación no debe reemplazar, siempre que sea posible, los tratamientos más económicos como la degradación biológica (Pulgarin et al. 1999). Las potencialidades ofrecidas por los PAOs pueden explotarse al integrarse como etapa previa a los tratamientos biológicos.. 1.3.2 Reacciones de Fenton y foto-Fenton El reactivo de Fenton se conoce desde el siglo XIX cuando fue descubierto por Henry J.H. Fenton (Fenton 1894) y es en la actualidad objeto de numerosas investigaciones (Irmak et al. 2006). De entre los distintos tipos de PAOs, la reacción de Fenton ha mostrado un potencial considerable para lograr la degradación de numerosos compuestos orgánicos. Además, resulta una técnica de funcionamiento sencillo, alta reactividad y con mínima descarga de oxidantes químicos y/o tóxicos al ambiente (Swaminathan et al. 2003, Bigda 1995). 36.

(45) Junto con la reacción de foto-Fenton, con la cual cierra un ciclo catalítico de degradación de materia orgánica, la reacción de Fenton es considerada una de las técnicas más prometedoras en la remediación de aguas contaminadas con compuestos tóxicos no biodegradables (Bossmann et al. 1998). Su efectividad ha sido probada con éxito en la mineralización de compuestos recalcitrantes como PCBs (Huston & Pignatello 1999), herbicidas clorados (Pignatello 1992), clorofenoles (Ruppert et al.1993), y para el tratamiento de efluentes textiles (Pérez et al. 2002) y blanqueo de pastas papeleras (Muñoz et al. 2005). La utilización secuencial de las reacciones de Fenton y foto-Fenton configura un sistema reactivo catalítico. El mecanismo aceptado se basa en un conjunto de etapas elementales. En la Reacción de Fenton, la generación de radicales hidroxilo tiene lugar al combinar peróxido de hidrógeno y una sal de hierro [Fe(II)], mezcla denominada reactivo de Fenton. Se trata de una reacción térmica muy rápida que se produce en oscuridad [1]: Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO- + · OH. [1]. El ion férrico formado puede reducirse a través de una serie de etapas, para formar de nuevo ion ferroso. Este segundo conjunto de etapas se denomina Fenton-like, es más lento que el proceso de Fenton, y permite la regeneración de Fe(II) (Pignatello 1992). El mecanismo global resulta de carácter catalítico. Para ello, es necesario que el peróxido se encuentre en exceso respecto a la cantidad de hierro añadida [2-4] a 25ºC:. Fe3+ + H2O2 ' FeOOH2+ + H+. .. FeOOH2+ → HO 2 + Fe2+. .2. Fe3+ + HO. → Fe2+ + O2 + H+. 37. [2]. [3]. [4].

(46) La presencia de una fuente de luz acelera la degradación de contaminantes (Pulgarin et al. 1996). El proceso recibe el nombre de foto-Fenton [5-6], y en este caso el reciclaje de Fe(III) es posible a través de un proceso fotorreductor:. Fe3+ + H2O ↔ FeOH2+ + H+. [5]. υ FeOH2+ h → Fe2+ + · OH. [6]. Paralelamente, la irradiación de Fe(III) + H2O2 (reacción de Fenton-like fotoasistida) da lugar a la formación de intermedios de hierro con alto estado de oxidación, responsables del ataque directo a la materia orgánica (Pignatello et al. 1999, Bossmann et al. 1998). La absorción de luz visible por parte del complejo formado entre Fe(III) y el peróxido parece ser la causa de la formación de tales oxidantes. Aparece, por tanto, una vía alternativa de oxidación de contaminantes al margen del radical hidroxilo. Por otro lado, se ha demostrado que ciertos compuestos orgánicos generan intermedios de oxidación capaces de formar complejos fotosensibles con Fe(III) y de regenerar así Fe(II) [7] (Hislop & Bolton 1999). Este proceso ha sido probado con éxito en los complejos formados entre Fe(III) y ácidos carboxílicos [8], especies que aparecen como intermedios de degradación de casi todos los contaminantes tratados con las reacciones de Fenton (Brillas et al. 1998). Recientemente, se ha demostrado también que la adición de estos compuestos orgánicos, ligandos (L), junto con el reactivo de Fenton incrementa el rendimiento de las reacciones de oxidación. El oxalato es un ejemplo de este tipo de compuestos (Hislop & Bolton 1999, Safarzadeh et al. 1996).. υ → Fe2+ + L· Fe3+ (L-) h. [7]. υ Fe3+ (RCOO-) h → R· + CO2 + Fe2+. [8]. 38.

(47) La efectividad de las reacciones de Fenton depende del pH, sobre todo en la reacción de fotoFenton (Pignatello et al. 1999). El valor óptimo se encuentra entre 2.8 y 3, donde el Fe(III) existe en solución, mayoritariamente como Fe(OH)2+(H2O)5. A valores de pH inferiores, el Fe(III) aparece como Fe3+(H2O)6 y es mucho menos efectivo en la absorción de luz y en la producción de · OH (Safarzadeh et al. 1996). Asimismo, a un pH mayor el hierro precipita como hidróxido férrico, desapareciendo de la disolución. Este grupo de reacciones requiere, por tanto, un control riguroso de pH. Bajo las condiciones descritas, hablamos de las reacciones Fenton y fotoFenton como procesos catalíticos o fotocatalíticos desarrollados en fase homogénea, donde el hierro actúa de catalizador (Andreozzi et al, 1999). El consumo de reactivos químicos y especialmente la elevada demanda de energía eléctrica, son problemas comunes a todos los PAOs (Bauer & Fallman 1997). Sin embargo, no todos los procesos fotoasistidos exigen luz con la misma energía. La fotólisis directa de O3 o H2O2 requiere fotones de baja longitud de onda (< 310 nm) (Huston & Pignatello 1999), mientras que procesos como la fotocatálisis con TiO2 o las reacciones de foto-Fenton emplean radiaciones de hasta 380 y 410 nm respectivamente (Hoffman et al. 1995). A su vez, la mezcla de Fe(III) con H2O2, puede absorber fotones de hasta 550 nm (Pignatello et al. 1999). Por lo tanto, desde el punto de vista económico, los procesos de foto-Fenton presentan ventajas respecto a otros PAOs, ya que para su activación es suficiente disponer de la región visible y UVA del espectro, hecho que permite reducir su coste al poder llevarse a cabo en presencia de luz solar (Safarzadeh et al. 1996). No obstante, se trata de una técnica que necesita un elevado consumo de reactivo, en concreto, H2O2.. La reacción de Fenton ha sido empleada recientemente en diferentes procesos de tratamiento de aguas contaminadas debido a su fácil aplicación, ya que no requiere ni reactivos ni aparatos sofisticados para la producción de radicales (Andreozzi et al. 1999). Además, la mezcla reactiva es considerada también un reactivo limpio (Huston & Pignatello 1999). Una vez acabado el tratamiento, el hierro puede eliminarse del medio como Fe(OH)3 precipitado, con sólo aumentar el pH. Sin embargo, si la concentración de hierro utilizada en la reacción es pequeña, éste podría perfectamente quedar disuelto en el agua después del tratamiento sin afectar su calidad.. 39.